Разработка ванадийсодержащих сталей и высокоэффективных технологий их производства с целью повышения долговечности литых деталей в машиностроении и металлургии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, доктор технических наук Филиппенков, Анатолий Анатольевич

• Филиппенков, Анатолий Анатольевич
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Филиппенков, Анатолий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Требования, предъявляемые к литым деталям в различных отраслях промышленности.

1.2. Роль карбонитридных частиц в упрочнении стали.

1.3. Цель и задачи исследований.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАРБОНИТРИДНЫХ ФАЗ

И СТРУКТУРЫ ОТЛИВОК.

2.1. Особенности формирования карбонитридов при кристаллизации сталей.

2.2. Выделение карбонитридов при охлаждении и термической обработке отливок.

2.3. Дендритная структура и аустенитное зерно в ванадийсодержащих сталях.

2.4. Влияние специальных карбонитридов на размер зерна и распад аустенита в низколегированных сталях.

2.5. Карбонитридные частицы и величина зерна в разностенных отливках

Выводы.

3. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ.

3.1. Модельные представления вклада карбонитридных выделений в формирование механических свойств.

3.2. Механические свойства малоуглеродистых сталей после нормализации.

3.3. Физико-механические свойства среднеуглеродистых сталей после улучшения.

Выводы.

4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ЛЕГИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ ВАНАДИЕМ.

4.1 Основные способы легирования стали ванадием.

4.2 Закономерности распределения ванадия между металлом и шлаком.

4.3 Технологии легирования стали с использованием ванадиевого шлака.

4.4 Прямое легирование высокомарганцовистой стали.

4.5 Использование для легирования стали ванадийсодержащего металлоотсева

4.6 Легирование стали с использованием металлизованных ванадийсодержащих окатышей.

4.7. Применение ванадиевых чугунов для легирования стали.

4.8. Получение и применение для легирования азотированного феррованадия.

Выводы.

5. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЩЕЛОЧНО- И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОТЛИВОК.

5.1. Среднеуглеродистые стали.

5.2. Низкоуглеродистые и малоперлитные стали.

Выводы.

6. НОВЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ОТЛИВОК. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ДЕТАЛЕЙ.

6.1. Литейно - технологические свойства ванадийсодержащих сталей.

6.2. Низкоуглеродистые стали с ванадием.

6.3. Среднеуглеродистые стали с ванадием.

6.4. Валковые и износостойкие стали.

Выводы.

7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОТЛИВОК И ПЕРСПЕКТИВЫ РАСШИРЕНИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА.

7.1. Оценка экономической целесообразности использования ванадийсодержащих сталей.

7.2. Перспективы производства сталей с ванадием.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ванадийсодержащих сталей и высокоэффективных технологий их производства с целью повышения долговечности литых деталей в машиностроении и металлургии»

Разработка и применение высокопрочных и хладостойких сталей для литых деталей ответственного назначения является важным фактором научно-технического прогресса, гак как их служебные свойства во многом определяют эксплуатационные характеристики машин и агрегатов. Успехи, достигнутые в последние десятилетия в этом направлении, связаны с разработкой низколегированных ванадийсодержащих сталей [1-4].

Решающий вклад в разработку конструкционных ванадийсодержащих сталей в нашей стране внесли сотрудники Уральского научно-исследовательского института черных металлов, ныне ГНЦ "Уральский институт металлов" (УИМ), где под руководством М.И. Гольдштейна, начиная с 1957 года, впервые в мире проведены широкие исследования влияния небольших добавок ванадия (0,01 - 0,20 %) на структуру и свойства деформированных конструкционных сталей, разработан и предложен промышленности широкий круг низколегированных мало- и среднеуглеродистых сталей [1].

Значительный вклад в разработку технологий переработки ванадийсодержащих продуктов, в создание высокопрочных сталей внесли академические институты, научные школы акад. РАН Лякишева Н.П., акад. РАН Леонтьева Л.И., акад. РАН Ватолина H.A.

С 1960-х годов в УИМ начались исследования по созданию ванадийсодержащих сталей для отливок [1,2]. Сотрудниками УИМ под руководством автора данной диссертации в течение более тридцати лет проводились обширные исследования, результатом которых явилось создание широкой гаммы ванадийсодержащих сталей для отливок и разработка принципиально новых способов их легирования и модифицирования. Их новизна и приоритет подтверждены многочисленными авторскими свидетельствами на изобретения и патентами (более 150). На новые энерго- и ресурсосберегающие технологии проданы патенты и лицензии в Германию, Бельгию, Швецию, Великобританию и др. страны. Большая часть новых сталей вошла в действующие ГОСТы и используется в различных отраслях промышленности. Научно-теоретические и экспериментальные результаты исследований по созданию высокопрочных, хладостойких сталей для литых изделий нашли отражение в монографиях [1,2], более чем в ста научных статьях и трудах научно-технических конференций.

Ванадий играет ключевую роль в дисперсионном твердении конструкционных сталей даже при одновременном введении в них различных карбонитридообразующих элементов, таких как Nb, Ti [1-7]. Проблема создания и использования ванадийсодержащих сталей имеет для Уральского региона и страны в целом ряд других важных аспектов. Ванадиевые стали являются конечным продуктом переработки ванадийсодержащего сырья - титаиомагнетитовой руды Качканарского рудного комплекса, который в составе Гусевогорского и Качканарского месторождений содержит более 9 млн. тонн ванадия. В настоящее время начинается разработка нового богатейшего по ванадию Чинейского месторождения в Читинской области. Благодаря переработке ванадийсодержащих руд Россия на протяжении последних лет занимает ведущее место в мире по уровню производства ванадийсодержащего окускованного сырья, ванадиевого шлака, гтентаоксида ванадия и феррованадия, используемых, в основном, для введения ванадия в сталь [8,9]. Для нашей страны высокая значимость ванадия, как легирующего элемента, определяется также тем, что он в ряде случаев является эффективным заменителем дефицитных XV, Мо, № [1,2,5,6].

В последние годы, в таких отраслях как вагоностроение, тракторостроение, в оборонной промышленности и др. становится все более интенсивным интерес исследователей к литой структуре сталей, обеспечивающей в термообработанном состоянии не только высокие прочностные свойства, но высокую пластичность и ударную вязкость. Это особенно важно для литых деталей, работающих в условиях больших статических и динамических нагрузок при пониженных температурах. Наследственные параметры литой структуры, обусловленные различными видами ликвации, образованием неметаллических включений в жидком металле, крупных нитридов при кристаллизации, являются весьма устойчивыми и оказывают обычно отрицательное действие как на прочностные свойства стали, связывая определенное количество микродобавок и уменьшая тем самым эффект дисперсионного твердения, так и на пластичность и вязкость, выделяясь по границам зерен и охрупчивая их.

Известно, что зерно в литой стали значительно больше по размеру, чем в деформированной, и имеет более толстые, обогащенные примесями и частицами вторых фаз, границы. Кроме того, металл отливок содержит микропоры и имеет повышенную химическую и структурную неоднородность.

Литые детали, особенно крупногабаритные или сложной конфигурации, нельзя получить прокаткой или штамповкой, во многих случаях для них не применима закалка с отпуском из-за опасности коробления. Следовательно, оптимальную структуру и фазовый состав стали необходимо формировать в литом состоянии. Знание закономерностей формирования литой структуры и выделения различных фаз (от крупных неметаллических включений до высокодисперсных карбонитридов) позволяет прогнозировать микроструктуру сталей, виды их термообработки и конечные свойства, тем самым смягчая или по возможности устраняя действие отрицательных наследственных факторов литой структуры.

Таким образом, актуальность проблемы создания новых экономно легированных сталей с использованием эффекта дисперсионного твердения при выделении фаз на основе карбонитридов (V, ЫЬ, ТО является перспективным направлением, что обусловлено значительными ресурсами ванадийсодержащих руд в России и резким снижением (в 3-5 раз) мировых цен на ванадий в последние годы. К тому же, цены на ванадий в промежуточных продуктах примерно в два раза ниже, чем у ванадия в феррованадии, что повышает эффективность их использования для легирования сталей.

В диссертации последовательно прослежено, что создание и освоение новых марок сталей включает в себя широкий комплекс вопросов: от способов легирования и модифицирования стали, исследования структуры и значительного количества механических и эксплуатационных свойств до обоснования экономической целесообразности применения стали предложенного состава для конкретных деталей машин.

Десятилетия, прошедшие с начала работ по микролегированию конструкционных сталей V. ЫЬ. Ти а также азотом, подтвердили, что использование дисперсионного упрочнения выделениями сильных карбонитридообразователей - перспективный путь создания сталей массового потребления. Здесь важно было установить не только химический и фазовый состав выделений, размер и количество частиц карбонитридов, но, главное, влияние частиц каждого типа на формирование структуры и свойств. Решение этой задачи дало научное обоснование пределам легирования, выбора из широкого круга сочетаний легирующих элементов лишь те, которые наиболее эффективно обеспечивают получение требуемого комплекса служебных свойств.

Последовательность этапов работ по созданию новых экономно легированных марок сталей определила логику построения диссертации. Работа состоит из семи глав, заключения, библиографического списка и приложения, в котором приведены основные документы об использовании разработанных сталей на различных предприятиях.

В первой главе, являющейся фактически аналитическим обзором, показано, что перспективными являются ванадийсодержащие дисперсионно-твердеющие стали, широкое применение которых наиболее оправдано для литых деталей в тракторо- и вагоностроении, в металлургическом машиностроении. На основе литературных источников, относящихся преимущественно к деформированным сталям, описаны фазовый и химический состав карбонитридов V, N1), ТК температурно-временные интервалы их выделения и растворения, вклад карбонитридных частиц в формирование комплекса механических свойств. Наконец, для достижения наивысшей конструкционной прочности (повышенного уровня прочностных и вязких характеристик, хладостойкости) дисперсионное упрочнение стали должно быть таким, чтобы охрупчивающее действие карбонитридных частиц было скомпенсировано и даже превышено измельчением дендритной структуры, аустенитного и действительного зерна, обеспечивающим рост вязких характеристик.

Исходя из данных положений, с учетом специфики производства и эксплуатации литых изделий сформулированы цель и основные задачи, решаемые в диссертации.

Вторая глава посвящена подробному рассмотрению исследований фазового состава карбонитридов типа М(С,М) на основе ванадия и неметаллических частиц, формирующихся при кристаллизации, охлаждении и термообработке литых деталей. Сформулированы основные закономерности образования карбонитридных выделений М(С,Ы). На основании чего предложена схема, отображающая в наиболее полном виде последовательность выделения частиц М(С,Ы) в различных фазах сталей. Дана оценка вклада карбонитридных выделений в формирование структуры литых сталей на всех масштабных уровнях (дендритная структура, аустенитное и действительное зерно, плотность и характер распределения дислокаций в различных фазах). Сформулированы основные закономерности образования карбонитридных выделений типа Ме(С,М) при охлаждении сталей на основании чего даны обобщенные представления о действии карбонитридных частиц в сталях. Столь всеобъемлющее изучение структурных факторов позволило в третьей главе на основе исследования комплекса механических свойств в низко- и среднеуглеродистых сталях для литья с микродобавками V, №>, "Л, а также азота дать объективный анализ влияния различных типов карбонитридных частиц на уровень прочностных, пластических характеристик и хладноломкости. С этой целью разработаны модельные представления о величине эффекта дисперсионного твердения на основе данных термодинамического анализа, о влиянии дисперсных частиц, количестве и дисперсности перлита на порог хладноломкости и сопротивление микросколу сталей с феррито-перлитной структурой.

В четвертой главе приведены данные по разработке, освоению и внедрению в производство новых технологий легирования сталей ванадием, а также азотом. На основе обширных экспериментов, проведенных в лабораторных и промышленных условиях, показано, что для легирования стали можно использовать различные промежуточные продукты ванадиевых переделов, содержащих ванадий в виде оксидов: ванадийсодержащие окатыши (после их предварительной металлизации -предвосетановления), металлоотсев (магнитная фракция дробленного ванадиевого шлака), ванадиевый шлак, технический пентаоксид ванадия, зольно-шламовые отходы тепловых электростанций. Прямое легирование с- применением промежуточных продуктов ванадиевых переделов заметно повышает степень сквозного извлечения ванадия от исходной ванадийсодержащей руды (железного концентрата) до ванадийсодержащей стали и, соответственно, увеличивает ресурсы ванадия.

В пятой главе изложены результаты исследований по модифицированию низколегированных литых сталей щелочно- и редкоземельными металлами. На большом фактическом материале прослежено действие модификаторов (силикокальция, силикобария, ферроцерия и др.) на морфологию и количество неметаллических включений, их влияние на структуру, технологические и механические свойства широкого круга сталей для литых изделий.

Глава шестая посвящена разработке и освоению в промышленности ванадийсодержащих сталей, модифицированных добавками ЩЗМ и РЗМ. С привлечением большого объема экспериментального материала обосновано использование широкой гаммы новых сталей повышенной прочности и хладостойкости для литых деталей в тракторо- автомобиле- вагоностроении, горно-металлургическом машиностроении и в оборонном комплексе. В этой же главе приведены данные исследований по технологическим и литейным свойствам ванадийсодержащих сталей, рекомендованных для ответственных тонкостенных и протяженных отливок вагоностроения. Приведены методики исследований и модель новой пробы для определения склонности сталей к трещинообразованию - наиболее часто встречающемуся дефекту в стальных отливках.

На натурных испытаниях отливок ванадийсодержащих сталей показана возможность их широкого применения в указанных отраслях промышленности.

В седьмой главе, с учетом производственного опыта различных предприятий нашей страны, дана сравнительная технико-экономическая оценка эффективности и целесообразности применения ванадийсодержащих сталей для отливок, обсуждены перспективы расширения их производства.

В результате всестороннего исследования сталей, легированных V, N1), И и Ы, сформированы основные закономерности выделения карбонитридных фаз. Впервые обнаружено формирование фаз Ме(С,1Ч) в жидкой стали и при её кристаллизации, прослежено отрицательное влияние крупных, в основном, эвтектических частиц карбонитридов, на конструкционную прочность литых изделий, разработаны пути ус транения или смягчения данного эффекта.

На основе детального сопоставления процессов структурообразования и изменения комплекса физико-механических свойств стали под влиянием выделений специальных карбонитридов выявлены пути реализации наилучшего состояния различных механизмов дисперсионного упрочнения, в первую очередь зернограничного и дисперсными частицами. Это позволило научно разработать обоснование режима охлаждения и термической обработки отливок.

Получены новые данные по влиянию серы и модифицирования редко- и щелочноземельными металлами на структуру, литейно-технологические (жидкогекучесть, литейная усадка и трещинообразование), механические и служебные характеристики ванадийсодержащих сталей.

Разработаны новые высокоэффективные технологии легирования стали ванадием с использованием промежуточных продуктов ванадиевых переделов: конвертерного ванадиевого шлака, ванадийсодержащего металлоотсева, металл изо ванных ванадийсодержащих окатышей [9].

На основе ванадийсодержащих сталей для отливок, применяемых в вагоностроении, изучено влияние химического состава сталей на их литейные свойства и отработана методика определения трещиноустойчивости сталей.

В результате исследований с использованием методов экстремального планирования эксперимента и статистической обработки результатов механических испытаний большого количества лабораторных и промышленных плавок разработаны новые комплексно-легированные ванадийсодержащие стали повышенной прочности и хладостойкости, не уступающие по служебным свойствам соответствующим никель- и молибденсодержащим сталям, но имеющие более высокие литейные характеристики и значительно меньшую себестоимость.

Новые марки сталей, способы их легирования и модифицирования защищены более 150 авторскими свидетельствами, на них получены патенты и лицензии.

Таким образом, научно обосновано решение важной народно-хозяйственной проблемы - производства комплексно-легированных ванадийсодержащих сталей для литых деталей ответственного назначения. Полная реализация этих работ вносит существенный вклад в развитие машиностроительного и металлургического комплекса, что обеспечит значительный экономический эффект.

Настоящая диссертация является итогом исследований, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками по Уральскому институту металлов, УГТУ (УПИ), работниками предприятий: Уралвагонзавода, НТМК, Уралмашзавода, Серовского металлургического завода, ЧусМЗ, ВНИИЖТ, ИЭ УО РАН.

Автор выражает глубокую благодарность генеральному директору ГНЦ РФ ОАО «Уральский институт металлов» Л.А. Смирнову за постоянное внимание, практические советы на всех этапах работы над диссертацией и всем сотрудникам, оказавшим большую помощь в проведении экспериментов и обработке их результатов.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Филиппенков, Анатолий Анатольевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований получены и обобщены закономерности выделения в литейных сталях частиц вторых фаз на основе сильных карбонитридообразователей (V, ЫЬ, И) во время кристаллизации, охлаждения и термообработки отливок. Исследовано влияние ванадия на литейные свойства углеродистых сталей, механизмов их упрочнения и разрушения. Созданы принципиально новые эффективные технологии легирования сталей ванадием, модифицирования редко- и щелочноземельными металлами. Научные положения, выдвинутые в диссертации, послужили основой для решения важной народнохозяйственной задачи - создания широкой гаммы ванадийсодержащих сталей для отливок, разработки эффективных технологий производства комплексно-легированных сталей для литых деталей ответственного назначения, совершенствования режимов их термической обработки. Значительная часть разработанных сталей вошла в ГОСТы.

Основные научно-теоретические экспериментальные и практические результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выявлено, что эксплуатационные свойства литой детали формируется совокупным действием частиц М(С,М), выделяющихся из жидкого металла и в ходе эвтектической реакции при кристаллизации стали, а также в аустените и в феррите. Образование крупных частиц М(С,Ы) эвтектической морфологии связано с дендритной и зональной ликвациями и более вероятно в сталях с 0,03-0,12 % ЫЬ или Т1, чем в сталях легированных одним ванадием 0,2 %). Показано, что количество и размер крупных карбонитридов определяется также скоростью охлаждения (температурой заливки, толщиной стенки отливки). "Пленочные" эвтектические карбиды ванадия, не растворяющиеся в аустените даже при продолжительных нагревах при 1100-1200°С, являются причиной понижения конструкционной прочности сталей для литых изделий, и в ряде случаев повышают чувствительность стали к горячим трещинам.

2. Сформулированы общие закономерности образования карбонитридных выделений Ме(С,М) на основе V, ЫЬ, Т1 при различных режимах термообработки и дисперсионного упрочнения низколегированных углеродистых сталей для отливок, базирующиеся на экспериментально установленных корреляциях между структурными параметрами (характеристиками дендритной структуры, величиной аустенитного и действительного зерен, размером, характером распределения и объемной долей карбонитридных частиц, объемной долей и дисперсностью перлита), прочностными и пластическими свойствами, а также температурой вязко-хрупкого перехода Тхр.

В измельчении дендритной структуры эффективны нитриды и карбонитриды "Л и ЫЬ, а наиболее слабое действие проявляет карбид ванадия. Сильное тормозящее влияние ф на рост зерна аустенита оказывает комплексное легирование стали ванадием и азотом, а также ниобием и титаном. При этом под действием частиц М(С,Ы) происходит дополнительное измельчение зерна при у<->а превращениях. Дисперсионное твердение низко- и среднеуглеродистых сталей эффективнее всего реализовать за счет выделений карбидов или особенно карбонитридов ванадия в феррите. Эффективность влияния ванадия резко увеличивается при введении в сталь 0,015-0,025 % азота вследствие выделения У(С,1ч[), которые более дисперсные и термически устойчивей, чем выделения карбидов ванадия.

Впервые обнаружено, что при содержании 0,08-0,15 % ванадия в средне- и высокоуглеродистых сталях при медленном охлаждении образуются ванадийсодержащие • сульфиды эвтектического типа, располагающиеся по границам первичных кристаллов дендритов), что отрицательно влияет на механические свойства стали, в основном, не за счет ослабления прочности границ, а за счет уменьшения количества ванадия, участвующего в упрочнении стали.

Исследованием структуры и механических свойств, характеристик сопротивления хрупкому разрушению найдены пути реализации сбалансированных механизмов дисперсионного упрочнения сталей для отливок, обеспечивающие рациональное сочетание дисперсионного твердения при выделении частиц М(С,М) и компенсирующие их охрупчивающее влияние путем измельчения зерна. В итоге разработаны научно обоснованные рекомендации по оптимальным добавкам V, N1?, "Л, а также азота в низко- и среднеуглеродистые стали для отливок и режимам их термообработки. ^ 3. Разработаны, освоены и внедрены прогрессивные ресурсо- и энергосберегающие технологии легирования сталей ванадием, а также азотом. На основе обширных исследований, проведенных в УИМе под руководством автора данной диссертации и в других институтах, разработана технология и построен впервые в мировой практике на Чусовском металлургическом заводе опытно-промышленный участок для получения нескольких сот тонн в год азотированного феррованадия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Плотность азотированного методом СВС феррованадия составляет 5,8 - 6,3 г/см3, при содержании азота до 10-12 %. Использование азотирования методом СВС феррованадия было апробировано на ОХМК, КМК, металлургическом заводе «Серп и молот" (Москва), ^ Волгоградском тракторном заводе, Уралмашзаводе и других предприятиях "для производства ванадийсодержащих сталей с повышенным азотом. Использование нового сплава взамен традиционного позволило увеличить усвоение азота сталью на 20 % и получать точно дозированное содержание азота в стали, что уменьшило стоимость легирования.

Стали, выплавленные на Уралвагонзаводе, Чебоксарском заводе промышленных тракторов, Павлодарском и Харьковском тракторных заводах, ПО "Электростальтяжмаш" и др. с применением металлизованных ванадийсодержащих окатышей, имеют повышенные на 10-20 % пластические свойства и ударную вязкость вследствие снижения общего количества неметаллических включений и уменьшения размера оксидов. Использование металлизованных ванадийсодержащих окатышей в дуговых электро- и мартеновских печах с кислой футеровкой обеспечивает получение высококачественных сталей для отливок с содержанием 0,1% ванадия. Эта технология особенно перспективна для производства высокопрочных сталей для "техники Севера".

Установлено, что прямое легирование сталей ванадием с использованием промежуточных продуктов ванадиевых переделов (ванадиевого чугуна и шлака, ванадийсодержащего металлоотсева, металлизованных окатышей) позволяет в 3-4 раза уменьшить расходы на легирование и, соответственно, снизить затраты на производство стали. Использование в период с 1970 по 1995 г.г. на прямое легирование 23,9 тыс. тонн ванадия из промежуточных продуктов ванадиевого передела обеспечило за счет замены феррованадия экономический эффект порядка 60 млн. долларов. Долевой экономический эффект от разработок диссертанта как руководителя этих работ составил 25% или 15 млн.долларов США, что в среднегодовом исчислении составляет 600 тыс. долларов США.

4. Выявлены новые закономерности влияния модифицирующих добавок редко-и щелочноземельных элементов ( силикокальция, стронций-содержащей лигатуры, силикобария, ферроцерия и алюмомагния) на характеристики неметаллических включений (НВ), структуру и механические свойства низколегированных и среднеугле-родистых сталей. Найдено положительное влияние и определены оптимальные количества добавок модификаторов (8Юа - 0,15 %, 8ЮаВа - 0,25 %, 81Са + РеСе по 0,1 % каждого) на ударную вязкость при комнатной и отрицательных температурах, сопротивление вязкому и хрупкому разрушению, а также сопротивление зарождению и росту трещин термической усталости и анизотропию механических свойств.

Путем построения корреляционных зависимостей механических свойств сталей различных составов от количества, размера и преимущественной формы НВ выявлено, что благоприятное действие модификаторов обусловлено измельчением дендритной структуры, увеличением прочности границ первичного аустейитного зерна, формированием глобулярных, равномерно распределенных частиц НВ, десульфурацией, рафинированием и повышением плотности стали. При модифицировании стали с повышенным содержанием серы комплексные сульфиды (Мп, Сг, У)Б заменяются более поверхностно активными оксисульфидными фазами, и высвобождающиеся при этом Мп, Сг, и, главное,V способствуют усилению дисперсионного упрочнения стали.

Показано, что положительное влияние на величину ударной вязкости модифицирования стали 2 кг/т силикокальцием в широком диапазоне содержания серы (от 0,001 до 0,100 %) за счет увеличения работы зарождения трещин.

5. Определено положительное влияние ванадия и добавок ЩЗМ и РЗМ на комплекс технологических и физико-механических свойств разработанных сталей для отливок (жидкотекучесть, линейную усадку, трещиноустойчивость), а также усталостную прочность, износостойкость, свариваемость и др.

Впервые показано влияние на трещиноустойчивость массотеплопереноса металла из ковша при замене формы. Создана и апробирована новая проба на трещиноустойчивость сталей.

С увеличением содержания ванадия от 0,07 до 0,3 % жидкотекучесть стали 45ФЛ практически не изменяется, а линейная усадка уменьшается с 2,27 до 2,06 %. В этом же направлении проявляется положительное действие на линейную усадку модифицирование стали ЩЗМ и РЗМ. Поэтому температуры заливки сталей, размеры прибылей, места их установки на отливках остаются идентичными тем, что и для отливок из сталей без ванадия.

Статистическая обработка показала, что до 75-78 % брака отливок приходится на горячие трещины. С использованием разработанной пробы на трещиноустойчивость и новой методики измерений установлена взаимосвязь между химическим составом стали и величиной энергии, затрачиваемой на образование горячей трещины. Установлено, что легирование стали 0,09-0,15% ванадия повышает трещиноустойчивость сталей 20ФЛ-45ФЛ за счет уменьшения образования видманштеттовой структуры и выравнивания размера зерна в толстых и тонких сечениях отливок. При дальнейшем увеличении содержания ванадия (до 0,93 %) трещиноустойчивость стали резко понижается, вследствие образования эвтектических ванадийсодержащих карбонитридов и сульфидов при увеличении дендритной ликвации (в междуветвиях дендритов содержание ванадия в 2-5 раз выше, чем в осях).

Отмечено, что возникновение горячей трещины начинается с разрушения железомарганцовистых сульфидов, расположенных по границам возникших кристаллов не модифицированного металла. Модифицирование сталей 30ХГСФЛ, 20ХГНФТЛ, 45ФЛ и др. РЗМ и ЩЗМ повышает их прочность и деформационную способность при температурах образования горячих трещин, что обеспечивает удовлетворительный комплекс их литейно-технологических характеристик, особенно для разностенных отливок сложной конфигурации и больших габаритов.

Стендовыми и промышленными испытаниями установлено, что комплексно-легированные стали, в частности - 20ХГНФТЛ и ЗОХГСФЛ имеют повышенную усталостную прочность по сравнению с углеродистыми сталями 20Л и ЗОЛ и более высокие характеристики выносливости при различных концентраторах напряжений. После закалки от 900-910°С и отпуска при 650-660°С стали ЗОХГСФЛ и 35ХМФЛ имеют повышенную износостойкость по сравнению со сталями 35ХМЛ и 35ХНЛ, термообработанными по принятым на заводах режимам.

6. На основе выявленных закономерностей по влиянию ванадия и других сильных карбидообразователей, модифицирования добавками ЩЗМ и РЗМ и режимов термообработки на структуру и механические свойства разработаны с использованием методов экстремального планирования экспериментов новые композиции экономно легированных ванадийсодержащих сталей для литых деталей, обладающих высокими показателями прочности, пределом выносливости, хладостойкости и износостойкости и низкой скоростью распространения усталостной трещины (живучесть) удовлетворяющих требованиям к технике "в северном исполнении", а также удовлетворительными технологическими литейными свойствами (жидкотекучести, трещиноустойчивости, свариваемости): 15-55ФЛ, 20Г1ФЛ, 20ХГНФТЛ, 08ХГФЛ, 20-45ХГСФЛ, 110Г13ФТЛ, 120Г10ФЛ, 150ХНМФ. Для получения повышенных значений пластических характеристик и ударной вязкости стали рекомендуется дополнительно раскислять ЩЗМ и РЗМ в количестве 1,0-2,0 кг/т.

Составы разработанных ванадийсодержащих сталей, способы их выплавки и модифицирования защищены авторскими свидетельствами (469765, 470536, 485171, 514038, 525757,1180398, 1301857 и др., в общем количестве свыше 150). Кроме того, продано 14 лицензий на новые технологии и стали с ванадием в Бельгию, Германию, Швецию и Нигерию. Сумма лицензионных платежей за переданную техническую документацию составила 870 666 инв. руб., что по курсу валют на момент перечисления платежей эквивалентна 870 666 долларам США (при долевом участии автора 25%, что составляет 217 666 долларов США).

Четыре марки конструкционных сталей 20ФЛ, 20Г1ФЛ, 45ФЛ, ЗОХГСФЛ и две марки износостойких сталей аустенитного класса - 110Г13ФТЛ и 120Г10ФЛ, разработанные с участием автора данной диссертации, включены в Межгосударственный стандарт "Отливки стальные" ГОСТ 977-88, три марки конструкционных сталей - 20ФТЛ,

20ХГСФЛ, 35ХМФЛ включены в Государственный стандарт "Отливки из хладостойкой и износостойкой стали" ГОСТ 21357-87 , а сталь 20ХГНФТЛ включена в ОСТ 2001 года МПС России "Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная".

7. Применение разработанных ванадийсодержащих сталей взамен углеродистых увеличило на 20-30 % срок службы и уменьшило металлоемкость литых деталей на предприятиях машиностроения и металлургии (Уралвагонзавод, Уралмаш, Чусовской металлургический завод, НТМК, ММК, ОХМК, ПНТЗ, и др.). Использование новых сталей, рациональных способов их легирования и модифицирования позволило отказаться, в ряде случаев, на машиностроительных предприятиях от дорогостоящих сталей, легированных дефицитными никелем, молибденом, повысить долговечность и надежность работы отливок ответственного назначения, в частности - ходовой системы тракторов (опорные катки и направляющие колеса), надрессорной балки, боковой рамы и автосцепки грузовых вагонов. В связи с временными экономическими проблемами часть предприятий в последние годы вынуждены были снизить объёмы использования сталей с добавками ванадия. Однако не вызывает сомнения, что разработанные марки ванадийсодержащих сталей для отливок, прогрессивные способы их выплавки и модифицирования являются тем научно-техническим заделом, который будет полностью востребован по выходу страны из экономического спада. В этом убеждает опыт применения ванадийсодержащих сталей передовыми предприятиями машиностроительного и военно-промышленного комплексов, железнодорожного транспорта и металлургической промышленности.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Филиппенков, Анатолий Анатольевич, 2002 год

1. Филиппенков А.А Ванадийсодержащие стали для отливок. Екатеринбург: УрО РАН. 2001.446 с.

2. Филиппенков A.A. Отливки из ванадийсодержащих сталей. М.: Машиностроение, 1982. 126 с.

3. Лагнеборг Р., Сивецки Т., Заяц С., Хатчинсон Б. Роль ванадия в микролегированных сталях. Екатеринбург: УИМ, 2001. 107 с.

4. Голиков И.Н., Гольдштейн М.И., Мурзин И.И. Ванадий в стали. М.: Металлургия, 1968. 291с.

5. Стали с ванадием; Под ред. М.И.Гольдштейна. М.: Черметинформация, 1967. 117 с.

6. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э., Панфилова Л.М. Упрочнение конструкционных сталей нитридами. М.: Металлургия, 1970. 224 с.

7. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979. 208 с.

8. Конвертерный передел ванадиевого чугуна / Смирнов Л.А., Дерябин Ю.А., Носов С.К. и др.Екатеринбург: Сред.-Урал. кн. изд-во,2000.527 с.

9. Филиппенков A.A., Дерябин Ю.А., Смирнов Л.А. Эффективные технологии легирования стали ванадием. Екатеринбург: УрО РАН. 2001. с.

10. Косарев Л.Н., Комолова Е.Ф., Пейрик Х.И. Разработка технических условий на сталь типа 20ГФЛ вагонных отливок // Тр. ЦНИИ МПС, 1976, вып. 559, с. 75-86.

11. Гольдшмидт Х.Д. Сплавы внедрения.Т. 1 .Пер.с англ.М.:Мир, 1971.423 с.

12. Филиппенков A.A., Рыжков А.Г., Филиппов М.А., Студенюк Е.С. Влияние ванадия и титана на хладостойкость стали 1 ЮГ 13Л; В сб. Произвол, сталей, работающих в условиях низких температур. М.: Металлургия, 1988. С. 41-46.

13. Kunze J., Guth А., Kauni L. Kinetik der Bildung von V(C,N)- Ausscheidungen in Eiseng // Wiss. Ber. Akad. Wiss. DDR.Zentralinst. Fasktözperphys. und Wernstofforsch. 1987. № 34. P.16-17.

14. Малиночка Я.Н., Олихова M.A., Макагонова Р.И., Филиппенков A.A., Кислицин В.Ф.; Влияние ванадия на структуру литой стали / Сб. Комплексная металлургическая переработка железных руд. Свердловск. 1984. С. 100-107.

15. Wachelko N., Nowak A., Marek S. Einfluß mit trhohtem Mangangehalt. Gitsser. Forsch.1986. V.38. №4. P. 137-145.

16. Панфилова Л.M., Смирнов Л.А., Филиппенков A.A. и др. Конструкционные азотсодержащие высокопрочные стали нового поколения // Сталь. 1999. №6. С. 69-72.

17. Эллиот Р. Управление эвтектическим затвердеванием; Пер. с англ. М.: Металлургия,1987. 352 с.

18. Банных O.A., Блинов В.М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадий-содержащие стали. М.: Наука, 1980. 190 с.

19. Фарбер В.М., Потёмкина Т.Г., Смирнова H.A. Исследование роста аустенитного зерна в строительных сталях / В сб. Прогрессивная технология термической обработки стали и титановых сплавов. Пермь. ППИ. 1983. С. 15-21.

20. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э., Панфилова Л.М. Упрочнение конструкционных сталей нитридами. М.: Металлургия, 1970. 222 с.

21. Пикеринг O.A. Физическое металловедение и разработка сталей; Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 184 с.

22. Gladman Т. Precipitation and coarsening of microalloy carbides and nitrides. Proceedings of the International Symposium // Microalloyed vanadium steels. Held in Crakow.1990. P. 125-130.

23. Филиппенков A.A., Рыжков А.Г., Кислицын В.Ф., Житова Л.П., Поручикова Н.Ю. Влияние легирования и особенностей кристаллизации на структуру литых ванадийсодержащих сталей / М.: Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. № 12. С. 8-12.

24. Ефимов Ю.В., Барон В.В., Савицкий Е.М. Ванадий и его сплавы М. Наука, 1969.254 с.

25. Лякишев Н.П., Слотвинский-Сидак Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Ванадий в черной металлургии. М.: Металлургия, 1983. 192 с.

26. Mitchell P.S/ (Chairman, VANITEC) SupUy and use of vanadium, 1996, 15 p/ (Paper presented at 56th VDEh Ram Materials Committee. Dusseldorf, Germany. 4th December. -1996).

27. Филиппенков A.A., Рыжков А.Г., Попов B.B и др. Карбонитриды эвтектической морфологии в ниобийсодержащих сталях / // Изв. ВУЗов. Черная метал. 1991. № 2. С.51-53.

28. Филиппенков A.A., Олихова М.А., Рыжков А.Г.,Литвиненко П.Л. Карбидообра-зование в литых комплексно-легированных валковых сталях //Литейное производство. 1988. № 6. С. 22-25.

29. Adnane L.,Kesri R.,Hamar-Thibault S. Vanadium carbides formed from the by solidificationin Fe-V-X-C alloys (x=Cr, Mo, Nb)//Alloysand Compounds. 1992. V.178. №1-2. P. 71-84.

30. Bruce H. Transverse corner in continuously cast microalloyed steels. Swedish institute for Metals Research // Internal Report. In Swedish. May. 1990. P. 268.

31. Priesmer R. Zhou C. Simulation of microstructural evolution in Nb-Ti microalloyed steel during direct not rolling // Ironmaking and Steelmaking. 1995. V.22. P. 326-332.

32. Черемных В.Г., Рыжков А.Г., Филиппенков А.А., Белоусова В.А. Влияние состава литой среднеуглеродистой стали на характеристики карбонитрида ванадия // Физика металлов и металловедение. 1990.№ 11. С. 117-121.

33. Малиночка Я.Н., Олихова М.А., Макагонова Т.И. Карбидная эвтектика в ванадиевых сталях. Металловедение и термическая обработка металлов, 1979. № 13. с. 9-11.

34. Любов Б.Я., Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. М.: Наука, 1981. 296 с.

35. Кристиан Дж. Теория превращения в металлах и сплавах. Т. I: Термодинамика и общая кинетическая теория. М.: Мир, 1978. 808 с.

36. Гольдштейн М.И., Попов В.В. Термодинамические методы расчета растворимости карбонитридов, образующихся в комплекснолеги-рованных сталях (обзор) // Термическая обработка и физика металлов. Свердловск: Изд. УПИ, 1982. с. 5-24.

37. Meyer L. Buhler Н. Е., Heisterkamp F. Mtallhundlische und technologische Grundlagen fur die Entwicklung und Erzeugung perlitarmer Baustayle // Thyssenforschung. 1971. B. 3, № 1,2. S. 8-43.

38. Heikkinen V.K. Some remarks on mechanism of formation of lined-up V4C3 precipitates inn low carbon vanadium steels // Trans, and Steel Inst. Jap. 1975. -V. 13, № 1. P. 78-79.

39. Горчица С., Сивецки Т., Петизик Т., Осух В. Образование карбонитридов ванадия при диффузионном превращении //ФММ. 1978. Т. 46. № 2. С. 289-295.

40. Davenport А.Т., Brossard L.C., Miner R.E. Precipitation in mikroalloyed highstrength low-alloy steels // J. Metals. 1975. V. 27, № 6. P. 21-27.

41. Мартин Дж., Доэрти P. Стабильность микроструктуры металлических систем. М.: Атомиздат, 1978. 280 с.

42. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия. 1979. 495 с.

43. Боулгер Ф.У. Оценка вязкости разрушения // Разрушение: пер. с англ. М.: Металлургия, 1976. Т. 6. С. 183-245.

44. Георгиев М.Н. Вязкость малоуглеродистых сталей. М.: Металлургия, 1973. 224 с.46